超聲系統(tǒng)考慮因素如何影響前端組件選擇

在設(shè)計(jì)超聲前端電路時(shí)，需要考慮主要的權(quán)衡取舍。前端電路組件的性能參數(shù)會影響診斷性能，相反，系統(tǒng)配置和目標(biāo)也會影響組件的選擇。

設(shè)計(jì)人員必須了解特別重要的規(guī)格、它們對系統(tǒng)性能的影響，以及它們?nèi)绾问艿?a target="_blank">集成電路（IC）設(shè)計(jì)權(quán)衡（在集成和半導(dǎo)體工藝技術(shù)方面）的影響，這些權(quán)衡將限制用戶的設(shè)計(jì)選擇。了解這些考慮因素將有助于設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)最有利的系統(tǒng)分區(qū)。我們從高層次的系統(tǒng)概述開始，然后更詳細(xì)地描述超聲系統(tǒng)的工作原理。

系統(tǒng)介紹

醫(yī)用超聲機(jī)是當(dāng)今廣泛使用的最復(fù)雜的信號處理機(jī)器之一。與任何復(fù)雜機(jī)器一樣，由于性能要求、物理場和成本，在實(shí)現(xiàn)過程中需要權(quán)衡取舍。為了充分理解所需的前端IC功能和性能水平，需要一些系統(tǒng)級的理解，特別是對于：低噪聲放大器（LNA）;時(shí)間增益補(bǔ)償放大器（TGC）;和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）。

在超聲前端以及許多其他復(fù)雜的電子系統(tǒng)中，這些模擬信號處理組件是決定整體系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。前端組件特性定義了系統(tǒng)性能的限制;一旦引入噪聲和失真，幾乎不可能消除它們。當(dāng)然，這是任何接收信號處理鏈中的普遍問題，無論是超聲波還是無線。

有趣的是，超聲波基本上是一種雷達(dá)或聲納系統(tǒng)，但它的運(yùn)行速度與這些系統(tǒng)相差幾個(gè)數(shù)量級。典型的超聲系統(tǒng)在概念上與商用和軍用飛機(jī)以及軍用飛機(jī)上的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)幾乎相同。雷達(dá)在GHz范圍內(nèi)工作，聲納在kHz范圍內(nèi)工作，超聲波在MHz范圍內(nèi)工作。超聲設(shè)計(jì)人員采用并擴(kuò)展了使用相控陣的轉(zhuǎn)向波束原理，該原理由雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員發(fā)起。今天，這些系統(tǒng)涉及一些最先進(jìn)的信號處理設(shè)備。

圖1顯示了超聲系統(tǒng)的簡化圖。在所有此類系統(tǒng)中，在相對較長（約2米）電纜的末端都有一個(gè)多晶探頭。該電纜包含 48 至 256 根極細(xì)同軸電纜，是系統(tǒng)中最昂貴的部件之一。在大多數(shù)系統(tǒng)中，幾種不同的探頭探頭（也稱為手柄——手柄是包含傳感器元件并通過電纜連接到系統(tǒng)的單元）可以連接到系統(tǒng)，允許操作員選擇合適的探頭以實(shí)現(xiàn)最佳成像。手柄通過高壓 （HV） 繼電器選擇，這在電纜上增加了大的寄生電容。

圖1.超聲系統(tǒng)框圖。

某些陣列中使用高壓多路復(fù)用器/解復(fù)用器來降低發(fā)送和接收硬件的復(fù)雜性，但以犧牲靈活性為代價(jià)。最靈活的系統(tǒng)是相控陣數(shù)字波束成形器系統(tǒng)——由于需要對所有通道進(jìn)行全電子控制，它們也往往是最昂貴的系統(tǒng)。然而，當(dāng)今最先進(jìn)的前端IC，如AD8332可變增益放大器（VGA）和AD923812位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）正在不斷降低每通道成本，因此即使在中低成本系統(tǒng)中，現(xiàn)在也引入了對所有元件的全電子控制。

在發(fā)射（Tx）側(cè)，Tx波束形成器確定設(shè)置所需發(fā)射焦點(diǎn)的延遲模式和脈沖序列。然后，波束成形器的輸出由驅(qū)動(dòng)換能器的高壓發(fā)射放大器放大。這些放大器可能由數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）控制，以塑造發(fā)射脈沖，以便更好地將能量傳輸?shù)綋Q能器元件。通常，使用多個(gè)傳輸焦點(diǎn)區(qū)域（區(qū)域），也就是說，通過將傳輸能量集中在身體中逐漸更深的點(diǎn)來加深要成像的場。多區(qū)域的主要原因是，對于身體深處的點(diǎn)，傳輸能量需要更大，因?yàn)樾盘栐谶M(jìn)入體內(nèi)（和返回）時(shí)會衰減。

在接收（Rx）側(cè)，有一個(gè)T/R開關(guān)，通常是二極管橋，用于阻止高壓Tx脈沖。其次是低噪聲放大器（LNA）和一個(gè)或多個(gè)可變增益放大器（VGA），它們實(shí)現(xiàn)時(shí)間增益補(bǔ)償（TGC），有時(shí)還實(shí)現(xiàn)切趾（空間“窗口化”以減少波束中的旁瓣）功能。時(shí)間增益控制 - 為來自身體深處的信號提供增加的增益（因此稍后到達(dá)） - 在操作員的控制下，用于保持圖像均勻性。

放大后，執(zhí)行波束成形，以模擬（ABF）或數(shù)字（DBF）形式實(shí)現(xiàn)。在現(xiàn)代系統(tǒng)中，它大多是數(shù)字的，除了連續(xù)波（CW）多普勒處理，其動(dòng)態(tài)范圍仍然太大，無法通過與圖像相同的通道進(jìn)行處理。最后，對Rx光束進(jìn)行處理以顯示灰度圖像，2-D圖像上的Colorflow疊加和/或多普勒輸出。

超聲系統(tǒng)挑戰(zhàn)

為了充分了解超聲的挑戰(zhàn)及其對前端組件的影響，重要的是要記住這種成像模式試圖實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。首先，它應(yīng)該準(zhǔn)確表示人體的內(nèi)部器官，其次，通過多普勒信號處理，它是確定體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)（例如，血流）。根據(jù)這些信息，醫(yī)生可以得出有關(guān)心臟瓣膜或血管正確功能的結(jié)論。

采集模式

有三種主要的超聲采集模式：B模式（灰度成像;2D）;F模式（彩色流或多普勒成像;血流）;和 D 模式（光譜多普勒）。B模式創(chuàng)建傳統(tǒng)的灰度圖像;F 模式是 B 模式顯示屏上顯示血流的顏色疊加層;D 模式是多普勒顯示器，可以顯示血流速度及其頻率。（還有一個(gè) M 模式，它顯示單個(gè) B 模式時(shí)間線。

醫(yī)療超聲的工作頻率在 1 MHz 至 40 MHz 范圍內(nèi)，外部成像機(jī)通常使用 1 MHz 至 15 MHz 的頻率，而靜脈心血管機(jī)器使用的頻率高達(dá) 40 MHz。 原則上，更高的頻率更可取，因?yàn)樗鼈兲峁└叩姆直媛剩M織衰減限制了給定穿透距離的頻率。但是，不能任意增加超聲波頻率以獲得更精細(xì)的分辨率，因?yàn)樾盘枙?jīng)歷約1 dB / cm / MHz的衰減;即，對于 10 MHz 超聲波信號和 5 cm 的穿透深度，往返信號已衰減 5 3 2 3 10 = 100 dB！為了在任何位置處理約60 dB的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍，所需的動(dòng)態(tài)范圍為160 dB（電壓動(dòng)態(tài)范圍為1億比1）！這種幅度的動(dòng)態(tài)范圍是無法直接實(shí)現(xiàn)的;因此，人們必須支付高度復(fù)雜系統(tǒng)的成本，并在前端進(jìn)行權(quán)衡 - 穿透深度（由于允許的最大發(fā)射功率而受到安全法規(guī)的限制）或圖像分辨率（使用較低的超聲頻率）。

接收信號的大動(dòng)態(tài)范圍是最嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。前端電路必須同時(shí)具有極低噪聲和大信號處理能力，這是任何有通信需求經(jīng)驗(yàn)的人都熟悉的要求。電纜不匹配和損耗直接增加了系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。例如，如果電纜在特定頻率下的損耗為 2 dB，則 NF 會降低 2 dB。這意味著電纜之后的第一個(gè)放大器的噪聲系數(shù)必須比無損電纜所需的噪聲系數(shù)低2 dB。解決這個(gè)問題的一種潛在方法是在換能器手柄中放置一個(gè)放大器。但是，存在嚴(yán)重的尺寸和功率限制;此外，由于需要高壓發(fā)射脈沖保護(hù)，因此這種解決方案難以實(shí)現(xiàn)。

另一個(gè)挑戰(zhàn)是換能器元件和主體之間的大聲阻抗不匹配。聲阻抗失配需要匹配層（類似于電阻抗匹配RF電路）才能有效地傳輸能量。這通常由手柄中換能器元件前面的幾個(gè)匹配層組成，然后是透鏡，然后是耦合凝膠。凝膠與身體建立了良好的聲學(xué)接觸，因?yàn)榭諝馐且环N非常好的聲學(xué)反射器。

接收電路的另一個(gè)重要問題是快速過載恢復(fù)。盡管T/R開關(guān)應(yīng)該保護(hù)接收器免受大脈沖的影響，但這些脈沖中泄漏開關(guān)的一小部分足以使前端電路過載。過載恢復(fù)不良會使接收器在恢復(fù)之前“失明”，直接影響圖像與皮膚表面的距離。

如何生成超聲圖像—B 模式

圖 2 顯示了如何生成不同的掃描圖像。在所有四次掃描中，掃描線以矩形為界的圖像是圖像的實(shí)際表示，因?yàn)樗鼘⒃陲@示器上看到。此處顯示了單個(gè)換能器的機(jī)械運(yùn)動(dòng)（沿箭頭指示的方向），以方便理解圖像生成;但是相同類型的圖像可以由線性陣列生成，而無需機(jī)械運(yùn)動(dòng)。在線性掃描示例中，換能器元件沿水平方向移動(dòng);對于每條掃描線（圖像中顯示的線），發(fā)送一個(gè)Tx脈沖，并記錄來自不同深度的反射信號并對其進(jìn)行掃描轉(zhuǎn)換以顯示在視頻顯示器上。單個(gè)換能器在圖像采集過程中的移動(dòng)方式?jīng)Q定了圖像的形狀。這直接轉(zhuǎn)化為線性陣列探頭的形狀，即對于線性掃描，陣列將是直的，而對于電弧掃描，陣列將是凹形的。

圖2.單傳感器圖像生成。

從機(jī)械單傳感器系統(tǒng)到電子系統(tǒng)所需的步驟也可以通過檢查圖2中的線性掃描輕松解釋。如果將單個(gè)換能器元件分成許多小塊，那么如果一次激發(fā)一個(gè)元件并記錄來自身體的反射，則也會得到如圖所示的矩形圖像，只是現(xiàn)在不需要移動(dòng)換能器元件。由此可以看出，弧形掃描可以由具有凹形的線性陣列組成;扇形掃描將由具有凸形的線性陣列組成。

盡管上面的示例解釋了B模式超聲圖像生成的基礎(chǔ)知識，但在現(xiàn)代系統(tǒng)中，一次使用多個(gè)晶片來生成掃描線，因?yàn)樗试S改變系統(tǒng)的孔徑。改變光圈就像改變光學(xué)中焦點(diǎn)的位置一樣，它有助于創(chuàng)建更清晰的圖像。圖3顯示了線性陣列和相控陣是如何做到這一點(diǎn)的;主要區(qū)別在于，在相控陣中同時(shí)使用所有晶片，而在線性陣列中僅使用總陣列晶片的子集。使用較少數(shù)量的元件具有節(jié)省電子硬件的優(yōu)點(diǎn);但它增加了對給定視野進(jìn)行成像的時(shí)間。相控陣則不同;由于其餅形，非常小的換能器可以對遠(yuǎn)場中的大面積區(qū)域進(jìn)行成像。這就是為什么相控陣探頭是心臟成像等應(yīng)用中的首選探頭，在這些應(yīng)用中，人們必須處理肋骨之間的小空間，需要通過這些空間對大得多的心臟進(jìn)行成像。

圖3.線性成像與相控陣成像。

陣列中的激勵(lì)沿著掃描線定向，由一組脈沖的延遲曲線決定，這些脈沖旨在同時(shí)到達(dá)焦點(diǎn)。脈沖（圖3）由陣列上方垂直時(shí)間線上的“波浪線”表示（陰影色），時(shí)間從陣列表面垂直增加。圖3中的線性步進(jìn)陣列將向一組晶片（孔徑）提供成形激發(fā)，然后通過添加一個(gè)超前元件并放下一個(gè)尾隨晶片來步進(jìn)孔徑。在每個(gè)步驟上，由脈沖同時(shí)到達(dá)形成一條掃描線（光束）。在相控陣中，所有探頭同時(shí)處于活動(dòng)狀態(tài)。在所示示例中，暗線是成像由代表性脈沖圖案產(chǎn)生的反射數(shù)據(jù)的掃描線。

模擬與數(shù)字波束成形

在模擬波束成形（ABF）和數(shù)字波束成形（DBF）超聲系統(tǒng)中，從特定焦點(diǎn)沿波束反射的接收脈沖被存儲到每個(gè)通道，然后及時(shí)對齊，并相干相加 - 這提供了空間處理增益，因?yàn)橥ǖ赖脑肼暿遣幌嚓P(guān)的。圖像可以形成為一系列模擬電平，這些電平使用模擬延遲線延遲，求和并轉(zhuǎn)換為數(shù)字求和后（ABF），或者通過盡可能靠近傳感器元件的模擬電平采樣，將它們存儲在存儲器中（FIFO），然后以數(shù)字方式求和（DBF）。

圖 4 和圖 5 顯示了 ABF 和 DBF 系統(tǒng)的基本框圖。這兩種類型的系統(tǒng)都需要完美的通道間匹配。請注意，兩種實(shí)現(xiàn)方案都需要可變增益放大器（VGA），并將繼續(xù)采用數(shù)字模式，直到具有足夠大動(dòng)態(tài)范圍的ADC以合理的成本和足夠低的功耗提供。請注意，ABF成像系統(tǒng)只需要一個(gè)非常高分辨率的高速ADC，但DBF系統(tǒng)需要許多高速、高分辨率ADC。有時(shí)，ABF系統(tǒng)中使用對數(shù)放大器來壓縮ADC之前的動(dòng)態(tài)范圍。

圖4.ABF系統(tǒng)的簡化框圖。

圖5.DBF系統(tǒng)的簡化框圖。

動(dòng)態(tài)范圍

在前端電路中，LNA的本底噪聲決定了信號的接收強(qiáng)度。但與此同時(shí)，特別是在CW多普勒信號處理期間，LNA還必須能夠處理非常大的信號。因此，最大化LNA的動(dòng)態(tài)范圍至關(guān)重要（通常，由于噪聲限制，不可能在LNA之前實(shí)現(xiàn)任何濾波）。請注意，這些相同的條件適用于任何接收器——在通信應(yīng)用中，最靠近天線的電路也不具有大量濾波的優(yōu)勢;因此，它需要應(yīng)對最大的動(dòng)態(tài)范圍。

CW多普勒在超聲系統(tǒng)中具有最大的動(dòng)態(tài)范圍 - 在CW期間，正弦波與換能器陣列的一半連續(xù)傳輸，而另一半則接收。Tx信號有強(qiáng)烈的泄漏到Rx側(cè)的趨勢;并且還有來自靠近表面的靜止身體部位的強(qiáng)烈反射。這往往會干擾檢查，例如，身體深處靜脈中的血流，伴隨非常弱的多普勒信號。

在當(dāng)前技術(shù)水平下，CW多普勒信號無法通過數(shù)字波束成形（DBF）系統(tǒng)中的主成像（B型）和PW多普勒（F型）路徑進(jìn)行處理;因此，圖1中為CW多普勒處理提供了模擬波束成形器（ABF）。ABF具有更大的動(dòng)態(tài)范圍。當(dāng)然，DBF超聲中的“圣杯”是通過DBF鏈處理所有模式（以實(shí)際成本），并且關(guān)于如何到達(dá)那里的大量正在進(jìn)行的研究。

權(quán)力

由于超聲系統(tǒng)需要多個(gè)通道，因此所有前端組件（從T/R開關(guān)到LNA、VGA和ADC，再到波束成型器的數(shù)字電路）的功耗是一個(gè)非常關(guān)鍵的規(guī)格。如上所述，總會有人推動(dòng)增加前端動(dòng)態(tài)范圍，以便最終將所有超聲模式集成到一個(gè)波束成型器中，這種趨勢將導(dǎo)致增加系統(tǒng)的功率。然而，相應(yīng)地需要使超聲系統(tǒng)永遠(yuǎn)更小，并有降低功率的趨勢。數(shù)字電路中的功率通常隨電源電壓而降低;但對于模擬和混合信號電路，情況并不一定如此。此外，考慮到模擬“裕量”減小往往會減小動(dòng)態(tài)范圍，電源電壓可以達(dá)到的低程度以及仍能達(dá)到所需的動(dòng)態(tài)范圍是有限制的。

結(jié)論

我們試圖通過首先解釋這種系統(tǒng)的基本操作，然后指出需要哪些特定的性能參數(shù)來確保最佳系統(tǒng)運(yùn)行，從而展示超聲前端IC所需的權(quán)衡取舍。本文的更完整版本1可用于提供更多詳細(xì)信息。

審核編輯：郭婷